Если в рудных шахтах газовыделений природных газов было относительно немного и они зачастую были эпизодичны, то в угольных шахтах выделяющегося «горючего воздуха», который мог взрываться от открытого пламени, а оно постоянно требовалось для освещения, было очень много, а потому вопросы проветривания угольных шахт все время были в центре внимания представителей горного надзора того времени, следивших за безопасностью добычи угля.
Когда и где произошел первый в истории человечества взрыв «рудничного газа», знаменитого fire-damp, мы в точности не знаем. Но хорошо знаем по английским хроникам, что огромная череда страшных аварий, связанных с взрывами в шахтах, последовала с началом добычи каменного угля, ибо она высвобождала горючий и тем самым взрывоопасный метан из угольных пластов и отбитого угля.
Метан (лат. methanum; болотный газ, CH4) — простейший по составу предельный углеводород, при нормальных условиях бесцветный газ без вкуса и запаха, почти в два раза легче воздуха. Газ нетоксичен, но при высокой концентрации в воздухе обладает слабым наркотическим действием. Метан становится взрывоопасен при концентрации его от 4,4 до 17%, что и представляет собой его особую опасность. Это мы знаем сегодня, но так было не всегда. Вернемся в прошлое.
В ноябре 1776 г. итальянский физик Алессандро Вольта, изобретатель «вольтовой батареи», обнаружил метан в болотах озера Лаго-Маджоре на границе Италии и Швейцарии. На изучение болотного газа его вдохновила статья Бенджамина Франклина о «горючем воздухе». Вольта собирал газ, выделяемый со дна болота, и из него в 1778 г. выделил чистый метан. Также он продемонстрировал зажигание метана от электрической искры, которую давала его «вольтова батарея» / «вольтов столб».
Спустя почти 40 лет, в 1813 г., англичанин сэр Гемфри Дэви специально изучил рудничный газ, собранный в шахте, и показал, что он является смесью метана с небольшими количествами азота (N2) и углекислого газа (CO2) — то есть, что он качественно тождествен по составу болотному газу. Современное название «метан» в 1866 г. этому газу дал немецкий химик Август Вильгельм фон Гофман.
Как мы сегодня знаем, горение (в шахте или руднике) — это процесс химического окисления горючего вещества кислородом воздуха, для инициации и поддержания которого нужна энергия, берущаяся из источника зажигания. Открытый огонь является одним из таких источников.
Горняки быстро заметили, что взрыв рудничного газа происходит при одновременном наличии газа и открытого огня, который его зажигает. Это зажигание может привести к вспышке (огонь), хлопку (ударный звук), разрушительному взрыву.
После «ликвидации» горючего газа какое-то время можно работать, не опасаясь его взрыва, ибо новый взрыв происходит, когда накапливается новая «порция» горючего газа.
Древние углекопы, многое не зная, умели правильно действовать и применяли выжигание для уничтожения потенциально опасных скоплений метана, а также вымахивание для усиления проветривания. Вопрос о купировании источника зажигания не стоял в силу неразвитости теоретических представлений. Все знали, что открытый огонь вызывает воспламенение рудничного газа. Именно открытым огнем опробовали присутствие рудничного газа, открытым огнем его выжигали газожоги. Однако знать и суметь сделать что-то новое могли не все.
Так появляется практичная и очень опасная профессия «газожог», направленная на «сжигание» выделившегося рудничного газа. Газожог на шесте вносил в газо-воздушную смесь открытый огонь (свечу) и тем самым инициировал взрыв. А отсутствие открытого огня должно было бы предотвратить неконтролируемый взрыв.
НО!!! Открытый огонь был нужен для освещения. Однако пламя, непонятно чем и как удерживаемое, но локализующееся вблизи фитиля, при внесении его в рудничный газ вызывало быстрое движение фронта пламени, сопровождавшееся хлопком. Мог наступить взрыв, распространявшийся далеко. Нужно было, чтобы фитиль светил, а вот огонь фитиля не должен был зажигать рудничный газ так, чтобы фронт пламени двигался. Как эту проблему понимали тогда, мы в точности не знаем, но знаем, как мы ее понимаем сегодня. Два газа — горючее и окислитель — вступают в ре акцию окисления, инициируемую теплом от источника зажигания. Пламя горения зажигает другие объемы реагирующих веществ. Если фронт пламени, достаточного по мощности для зажигания, соприкасается с очень высокими концентрациями горючего, то он не движется из-за нехватки окислителя, затем при каких-то средних значениях фронт пламени может двигаться, и происходит вспышка. Наконец, если пламя соприкасается с недостатком горючего, то фронт пламени не движется и пламя остается в источнике, в котором горит горючее.
Вопрос о безопасном освещении нужно было решить, и в начале XIX в. это стали делать в Англии, где активно шла добыча каменного угля, сопровождавшаяся взрывами, и гибелью людей, и разрушением шахт. Нужна была лампа, не взрывающая рудничный газ! И ее создали.